适用于小卫星的低成本相控阵天线技术研究Research on Low-Cost Phased Array Antenna for Small Satellite 田垒(洛阳光电技术发展中心，河南洛阳471009)
Tian Lei(China Airborne Missile Academy,Henan Luoyang471009)
摘要：相控阵天线时卫星雷达天线的发展方向之一，但由于价格高昂，多年来制约了其在星载平台的发展。随着近年来新材料、新器件的面世及发展，如TR组件专用多功能芯片、MEMS移相器、SiGe芯片、CMOS 芯片等技术在不断发展。采用这些先进技术，可有效降低相控阵天线的成本。 关键词：相控阵天线；低成本；星载平台；多功能芯片；MEMS移相器；SiGe芯片；CMOS芯片
中图分类号：TN821+.8文献标识码：A文章编号：1003-0107(2021)03-0007-04
Abstract:Phased array antenna is one of the development directions of satellite radar antenna,but its high price has restricted its development in satellite platform for many years.With the advent and development of new materials and devices in recent years,technologies such as multifunctional chips for TR modules,MEMS phase shifters,SiGe chips and CMOS chips are constantly developing.With these advanced technologies, the cost of phased array antenna can be effectively reduced.
Key words:phased array antenna;low cost;space platform;multi-function chip;MEMS phase shifter;SiGe chip;CMOS chip
CLC number:TN821+.8Document code:A Article ID：1003-0107(2021)03-0007-04
0引言
卫星天线用于对特定的目标或地域，发射或接收载有各种信息的信号，当需要卫星交换信息的目标是可变的时候，往往要求天线的波束也做相应的变化[1]。通常采用机械扫描的方式进行波束的扫描，但机械扫描天线只能实现单波束的移动，不能改变波束的形状及实现多移动波束模式，机械可移动装置的采用又往往可能导致可靠性下降、重量增加等新问题。
采用相控阵天线是克服上述困难的最佳途径之一。相控阵天线采用现代微波集成技术，相控阵天线每个辐射单元(T/R组件)的馈电相位和幅度都可以灵活控制，能够通过控制辐射单元个数从而控制天线增益，通过控制各个辐射单元的相位实现波束的电控扫描，不需要传统的机械运动机构，有效避免机械运动机构在空间应用时的体积大、空间润滑及冷焊效应等技术难题；由于没有机械运动机构，相控阵天线体积小、重量轻；同时，采用功率分布式合成技术，部分模块出现故障，对天线方向图影响有限，可靠性大幅度提高；相控阵天线能够同时跟踪多个目标，可以实现边跟踪边扫描，大大提高了雷达系统在复杂环境下的探测能力，已在国外星上设备中广泛采用，具有广阔的发展前景。
尽管相控阵雷达相比于传统雷达技术优势明显，但
作者简介院田垒(1985-)，男，工程师，工学学士，主要从事相控阵天线总体设计与研发工作。
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是相控阵雷达实现成本较高，是多年来制约其发展的一个十分重要的因素，特别是在小卫星平台，若能有效降低相控阵天线成本，将会极大地促进相控阵天线在星载平台的应用。
随着新材料、新器件的面世及发展，低成本相控阵天线的实现形式也越来越丰富，本文就介绍了多种可实现低成本相控阵天线的技术途径。
1TR组件专用多功能芯片
20世纪90年代以来，随着微波单片集成电路(MMICs)技术取得突破并大量进入实用，高性能、高一致性的TR
组件得以大批量、低成本生产，从而推动了有源相控阵技术的迅速发展和应用。
有源相控阵天线的TR组件功能包括信号接收及放大、幅度相位控制、收发功能转换等，通常每种功能
需采用独立的芯片来实现，当天线工作在毫米波段以及更高的W波段时，单元间距已经接近甚至小于芯片及封装尺寸，因此必须提高芯片电路的集成度并减少封装壳体的尺寸。
将原来MMICs套片中的多种MMICs进一步集成为多功能芯片，从而使TR组件套片中芯片的种类和数量更少，集成度更高。目前已报道的有3片(CoreChip芯片+功放+低噪放)、2片(小信号多功能芯片+功放，收发多功能芯片+矢量调制器或数字移相器等)、1片(单片集成TR组件)等MMICs芯片组形式。这些芯片组中关键芯片均为专用多功能芯片，专门针对特定有源相控阵TR组件应用进行设计开发[2]。
目前开发的TR组件专用芯片有以下几种：收发多功能芯片(TRChip)，电路原理如图1所示；TR组件"内核芯片"(CoreChip)[3]，电路原理图如图2所示；单片集成TR组件，包含完整收、发放大及收发切换、幅相控制电路；单片集成多通道集成TR组件，一个MMICs上集成多个收发通道，以单收、单发为主。
北斗通信模块图1TRChip多功能芯片电原理图
图2CoreChip多功能芯片电原理图
2MEMS移相器
相比传统电子技术，微电子机械系统(Micro-Electro -Meechanical-System，MEMS)具有插入损耗低、
线性度高、批量生产成本低、易于集成等特点[4]。特别是将MEMS 技术应用于微波领域，可使微波器件和电路的结构和性能发生根本性改变，实现小型化和低成本化。其中采用RFMEMs技术在GaAs、InP、石英、硅片等衬底上制备的RFMEMS电路或器件则能很好地克服传统器件的缺点。因此，RFMEMS技术在无线电通讯、微波技术上的应用已经成为MEMS研究的重要方向。
由于传统的移相器主要基于铁氧体材料和陶瓷材料，以及PIN二极管开关和场效应晶体管FET开关，靠改变介质的磁导率和介电常数，以及传输线的电长度来实现要求的相移。但随着频率升高到Ka波段后，它们都暴露出各自不同的缺点。例如，铁氧体移相器制作工艺复杂、生产成本较高和受频率限制等缺点，阻碍了它在相控阵夭线中的应用；PIN二极管移相器射频损耗大；FET移相器前端插入损耗大和功耗随频率增大而增大，而且半导体移相器的功率处理能力低；介质移相器损耗大，控制电压高等等[5]。
随着RFMEMS技术的迅速发展，RFMEMS器件与传输线相结合的移相器引起研究者的重视。许多微波领域正迫切需要性能更佳的移相器，从而提高相控阵的性价比使其得到广泛的应用。这就要求设计和研发出一种新型移相器，该器件应具有频带宽、损耗小、成本低、超小型化、易于与集成电路(IC)和单片微波集成电路(MMIC)集成等特点。表1所示为不同结构移相器的性能比较。下面介绍几种典型的MEMS
移相器。
表1不同结构移相器性能参数
2.1开关线型MEMS 移相器
开关线型MEMS 移相器是通过MEMs 开关选择不同长度的信号路径实现相移的，即当微波信号从两条电长度不同的传输线通过时，得到不同的相位状态。由于开关线型MEMS 移相器结构简单，各国研究者主要使用串联或并联开关来制作多种开关线型MEMs 移相器。
开关线型MEMS 移相器虽然原理简单，
结构上容易实现，但是这种结构的移相电路存在几个技术难题：(l)插入损耗谐振现象，即当传输线支路长度达到某个频率的半波长或其整数倍时，将产生谐振现象，从而增大插入损耗；(2)在移相的整个过程中，移相器的输入端和输出端之间一直处于导通的状态，因此要求在两种状态下输入和输出端都
液中焚烧炉要匹配良好，此外还要求两种移相状态下插入损耗很小，并且要尽可能相等，以避免两种状态下输出信号大小不同而引起寄生调幅；(3)开关控制的两条传输线相互距离要足够远，以避免相互祸合造成衰减和相位误差；(4)由于开关线型MEMS 移相器的相移量随频率线性增加，意味着用一般均匀传输线组成的开关线型移相器是窄频带的。
图3所示为开关线型MEMS 移相器。
图3开关线型MEMS 移相器
2.2反射线型MEMS 移相器
反射线型MEMS 移相器因其微波传输方式而得名，它是通过采用MEMS 开关改变3dB 祸合器反射臂的电抗来实现相移。
1苯基1丙酮综合分析可知，
反射型MEMS 移相器芯片面积虽然有所减小，但插入损耗较大，其中3dB 祸合器的插入损耗随频率增加而增加，不可忽视；同时反射线长度变短，使MEMS 开关制造工艺复杂，
实现起来有一定困难。图4所示为Raytheon 公司生产的4位反射线型MEMS 移相器。
图4Raytheon 公司生产的4位反射线型MEMS 移相器
2.3分布式MEMS 传输线移相器
v开关线型和反射型MEMS 移相器存在面积大、插入损耗大、加工工艺复杂和成本高等缺点。为了实现小型化、高集成度和低成本，以CPW 传输线为载体，周期性加载MEMS 桥电容开关的分布式MEMS
传输线移相器成为RFMEMS 领域研究热点。它的基本工作原理是在共面波导传输线上周期加载MEMS 金属桥，通过在金属桥和传输线之间施加电压来改变金属桥的高度，使金属桥与传输线之间的电容和信号的传播常数发生变化，从而可以得到改变入射波相移的MEMS 移相器。由于该
移相器结构是在共面波导上周期加载MEMS 桥，
相当于
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在传输线上加载分布式MEMS电容，通常把它称为分布式MEMS传输线(DMTL)移相器，它不仅具有低插入损耗、低成本、微小尺寸和Ic兼容等优点，而且还能广泛地应用于各种微波频段。因此，国内外研究者对分布式MEMs传输线移相器进行了大量的研究。图5所示为分布式MEMS移相器结构图。
图5分布式MEMS移相器结构图镇流器外壳
3SiGe与CMOS芯片
我们知道，硅半导体技术是成本非常低的商用集成电路技术，可用资源众多。SiGe使用硅作为基底具有很多优势，性价比较高，可以在单一芯片集成许多功能。但在微波输出功率或噪声系数方面，SiGe不如GaAS。
SiGe芯片上包括微波功率放大器、低噪声接收器、模数转换器以及数字电路。同一芯片上还有CMOS电路。GTRI公司正在开发用于AESA雷达的SiGe单片TR组件。最初设计的峰值功率大于50mW，采用二级功率放大器。研究工作正在进行中，目前利用三级功率放大器已经实现1W峰值功率[6]。预计采用SiGe TR组件的AESA 阵列每个阵元的成本是采用高功率GaAs TR组件阵列的1/100。并且能通过在雷达中采用可折叠的大型阵列来补偿每个组件的低功率。
CMOS芯片工作在微波频段。它也采用硅基底，是计算机行业中普遍使用的技术。对于接收机的TR组件来说，CMOS芯片具有低成本与低功耗特点。例如，同SiGe一样，CMOS芯片允许在单一芯片上集成多种功能，甚至比SiGe集成的功能还要多。一个系统芯片(SOC)可以拥有射频、中频、基带、微处理器、存储器、可调谐滤波器以及模数转换器，它可以同GaAs或GaN结合用于微波功率放大器和低噪声接收器。Si与CMOS的结合，有可能在单个芯片上集成许多接收通道及发射通道。
4结束语
低成本相控阵天线技术将是今后相控阵天线的重要发展方向之一，随着研究的进一步发展，将会大大促进相控阵天线在星载平台的应用。
参考文献：
h5n6[1]阎鲁滨.星载相控阵天线的技术现状及发展趋势[J].航天器工程,2012,21(3):11-17.
[2]黄建.毫米波有源相控阵TR组件集成技术[J].电讯技术,2011,51(2):1-6.
[3]Cetronio A,Cicolani M,Comparini M,et al.A Finmeccanica initiative for the development of high performance/Lowcost multi-domain applicationT/R modules[C]//Proceedings of 2005European Microwave Conference,2005:801-804. [4]Patel C D,Rebeiz G M.RF MEMS Metal-Contact Switches With mN-Contact and Restoring Forces and Low Process Sensitivity[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2011,59(5):1230-1237.
[5]傅佳辉，吴，贺训军，等.毫米波MEMS移相器及在相控阵中的应用[J].航空科学技术,2009,(2):25-29.
[6]Brookner E.Phased-Array and Radar Breakthroughs[C]// 2006CIE International Conference on
Radar,2006.
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